Процес сухої перегонки при температурі 1050-1100° С називається коксуванням і широко застосовується для добування високоякісного металургійного коксу. Рідше застосовується напівкоксування палива (в основному бурого вугілля) - суха перегонка при 500-600° С. Основна мета такого процесу - здобуття цінних рідких і газових продуктів.

1.3 Характеристика окремих видів палива

Дрова. Деревина є дуже цінним матеріалом для будівництва мебельної, целюлозної й інших галузей промисловості. Тому застосовувати її як паливо недоцільно. Роль деревини в паливному балансі нашої країни дуже мала і з кожним роком зменшується.

Основою деревини є клітковина, або целюлоза (С6Н10О5), її в деревині близько 70%. Друга складова деревини - лігнін, (СmНnОр). У ньому більше вуглецю і менше кисню, ніж у клітковині. Середній склад органічної маси деревини С° = - 50,0%, Н° == 6,1%, O° + N° == 43,9%. Теплота згоряння Q = 18 420 кДж/кг.

Склад і теплота згоряння одного кілограма органічної маси деревини дуже мало залежить від породи дров. У деревині дуже мало сірки, небагато золи (А=1¸2%), але багато вологи; у свіжоспиляних дровах W=50%, в однорічних W=25¸30%. Теплота згоряння однорічних дров Q=11720 кДж/кг.

Торф. Торф - це перший (наймолодший за геологічним і хімічним віком) продукт розкладання скупчень рослинних залишків при дуже обмеженому доступі повітря. Під час розкладання виділяються СОз, Н2О, СН4 і NНз. Твердий продукт розкладання характеризується високим вмістом вуглецю і більш низьким вмістом кисню.

Склад торфу коливається в широких межах. Він визначається властивостями рослинних залишків (гумусовий, сапропелітовий, бітумінозний торф) і мірою їхнього розкладання (малорозкладений, дуже розкладений торф). Приблизний середній склад торфу такий: С°=58.0%, Н°=5,8%, О°=34,2%, N =2,0%, його теплота згоряння Q = 22 190 кДж/кг. Вміст сірки S =0,2-0,3%.

Зольність робочої маси торфу верхових торфовищ невелика (до 10%), низинних - значна (20% і більше). Вологість робочого палива 35-50%.

Залежно від способу добування розріняють кусковий (машиноформований, гідроторф) і фрезерний торф (дрібняк). У техніко-економічному відношенні найдоцільніший спосіб добування торфу - фрезерний.

Буре вугілля. Буре вугілля геологічно і хімічно старіший, ніж торф, продукт розкладання рослинних залишків. Міра його вуглефікації вища, склад і властивості коливаються також у широких межах. Приблизний середній склад і теплота згорання бурого вугілля: С°=68,5%, Н°=5,5%, О°=25%, N°=1,0%, Q°=27210 кДж/кг.

Робоче паливо характеризується звичайно високою сірчастістю (Sл - 1-3%), зольністю (А =10 - 25%) і вологістю. Вологість хімічно старого бурого вугілля Wр =30%, а молодого вугілля - 55-58%. Основні типи бурого вугілля за структурою: кускуваті, землисті, лігніти.

Торф і буре вугілля належать до місцевих низькосортних видів палив, яке доцільно використовувати недалеко від місця добування (в радіусі 100-150 км).

Кам’яне вугілля. Кам’яне вугілля - наступний (у розумінні геологічного і хімічного віку) продукт глибокої вуглефікації рослинних залишків. Термін « кам’яне вугілля» - широкий і збірний. Він об’єднує багато різноманітних за своїми властивостями видів палива. До загальних ознак, що відрізняють кам’яне вугілля від бурого вугілля і торфу належать: відсутність видимих неозброєним оком рослинних залишків, мала гігроскопічна вологість Wа <10%, загальна лужна реакція продуктів сухої перегонки, висока теплота згорання Q >31400 кДж/кг.

Основні марки кам’яного вугілля і його класифікацію подано в таб. 2. В основу класифікації покладено: вихід летких речовин V і характеристика нелеткого залишку.

Таблиця 2

Кам'яне (і буре) вугілля класифікуються також за розміром кусків у мм: крупний К (50-100,) горіх О - «орех» (25-50), дрібний М - «мелкий» (13-25), насіннячко С - «семечко» (6-13) і штаб Ш (< 6). Для рядового вугілля розмір кусків - до 200 мм при шахтному добуванні і до 300 мм при відкритій розробці.

Дуже важливе значення для енергетики України має донецький антрацит. Склад його горючої маси: Сг =94%, Нг =2%, Ог =2%, Sг =1%. На великих електростанціях застосовують антрацитовий штиб АШ із зольністю А до 20% і вологістю W=5-10%.

Горючі сланці. Горючі сланці є сумішшю сапропелітових (нафтоподібних) продуктів, які утворилися внаслідок розкладання багатих на жири водних мікроорганізмів, що припинили свою життєдіяльність, з мінеральними речовинами, що потрапили в сапропелітові скупчення внаслідок обвалів, замулювань тощо. Сланці відзначаються великим виходом летких речовин (Vг до 85%), високим вмістом водню (Нг до 10%) і високою зольністю (Аг до 70%), помітну частину якої становлять карбонати (СаСО3).

Дуже ефективний метод використання сланців - суха перегонка. Їх застосовують також для енергетичних потреб і на великих теплових електростанціях.

Нафта. Нафта-складна суміш вуглеводнів різного складу. Розрізняють шість її типів. Основні з них - метанова і нафтенова. До останнього часу була загальноприйнятою органічна теорія походження нафти. Нині знову висувають варіанти теорії її мінерального походження. Нафту класифікують також за вмістом сірки (малосірчаста S<0,5%, сірчаста S< 1% і високосірчаста S<3,5%), смолистих речовин і за температурою застигання масляної фракції (малопарафіниста t заст. <-16 °С, парафіниста t заст. = -15 + 20° С і високопарафіниста t заст.>20°С).

Нафта - дуже цінна сировина для хімічної промисловості, виробництва легких палив, мастил та ін. Тому для енергетичних потреб використовують тільки відходи нафтопереробної промисловості - мазути. Склад мазуту мало відрізняється від складу нафти: C =86-88%, H =10 - 11%. Із сірчастих нафт виробляють високосірчасті мазути, в яких вміст сірки S досягає 4%.

Вологість мазуту W =2-3% (якщо під час зливання застосовують паровий розігрів, то W до 5%), а теплота згоряння Q = 39 770 кДж/кг. Мазут - перспективне паливо.

1.4 Газоподібне паливо

У котельних установках широко застосовується газоподібне паливо: природний і доменний гази. Інші штучні гази або зовсім не застосовують для енергетичних потреб, або застосовують дуже рідко (газ підземної газифікації).

На відміну від інших видів палива, склад газоподібного палива задається звичайно в об'ємних процентах. При цьому в розрахунках вводиться нормальний кубічний метр сухого газу. Крім сухої частини, гази містять також домішки: водяну пару, пил, смоли, кількість яких задається в грамах на 1 м3 сухого газу. Теплота згоряння газоподібного палива - це теплота реакції горіння 1 м3 газу. Її можна визначити спалюванням у спеціальній калориметричній установці (типа юнкерса), або калориметричною бомбою; підрахунком за складом газу і відомою теплотою згоряння окремих компонентів

Q = 128СО + 107Н2+ 355СН4 + 628СmН n кДж/м3.                   (13)

Природні горючі гази поділяють на сухі гази суто газових родовищ і попутні «жирні» гази, що супроводжують нафтовидобуток.

Сухий природний газ є сумішшю вуглеводнів, невеликої кількості інертних газів і сірководню. Основною складовою такого газу є метан, вміст якого досягає 80-98%, решта складових - вуглеводні метанового ряду СnН2n+2, N2, СО3 і Н2S. Природний газ - висококалорійне паливо, теплота згоряння його Q =(33,5-35,5) 103 кДж/м3.

Доменний (колошниковий) газ містить окис вуглецю (20-30%), водень (5-10%), азот (50-55%) і двоокис вуглецю (6-12%). Теплота згоряння його мала: Q= 4,18 103 кДж/м3. Доменний газ використовують на металургійних заводах як паливо котельних установок і технологічних печей.

2. Горіння палива і газові розрахунки

2.1 Стехіометричні співвідношення

Горінням називають процес інтенсивного з'єднання горючої речовини з окислювачем (киснем), що відбувається при високих (1000-2000°С) температурах і характеризується інтенсивним тепловиділенням.

Процес горіння навіть найпростіших за своїм хімічним складом горючих речовин досить складний і для багатьох речовин ще мало вивчений. Ще складніший він для таких комплексних сполук, як органічне тверде паливо. Проте для першого етапу звичайних теплових розрахунків котельних агрегатів і промислових печей - газових розрахунків - досить знати початковий і кінцевий стани системи пальне - окислювач, не розглядаючи процес горіння, проміжних стадій і його кінетики.

Формули, що застосовуються в газових розрахунках, виводять із стехіометричних рівностей, які дають співвідношення реагуючих речовин у молях, вагових і об'ємних одиницях. Нижче наводяться стехіометричні співвідношення для основих горючих елементів твердого, рідкого і газового палива:

С + О2 = СO

1μ 1μ 1 μ

12 кг 32 кг 44 кг

1 м3 ~ 1 м3

2С + О= 2СО

2μ 1μ 2μ

24 кг 32 кг 56 кг

1 м3 2м3

2СО + O = 2СO

2μ 1μ 2μ

2м3 1 м3 ~ 2 м3

СН + 2О == СО +2НО

1μ 2μ 1μ 2μ

1 м3 2 м3~ 1 м3 2м3

Взагалі для вуглеводнів:

CH(m+) О=mCO+HO

{m+} μ mμ μ

{m+} м~mм м

2.2 Витрата повітря

Мінімальна кількість повітря, потрібна для повного згоряння палива, називається теоретичною кількістю повітря. Вона може бути виражена в м3 на 1 кг палива (V0) або в кг/кг (L0).

Користуючись стехіометричними співвідйошеннями, легко визначити вагову теоретичну кількість кисню в кілограмах на 1 кг палива:

L=++7,94-

Потім, беручи до уваги вагову частку кисню в повітрі, що дорівнює 0,231, з рівності L=знаходимо L0:

L=0,115 (C+0,37S)+0,342H -0,043O(1-14)

Поділивши L0 на густину сухого повітря 1,293 кг/м3, дістанемо:

V0 = 0,089 (С + 0,37 S) + 0,265 Нр - 0,033 O                   (15)

Щоб забезпечити в реальних топках максимальне згоряння палива, до них треба підвести більшу кількість повітря, ніж V0. Відношення дійсної кількості повітря V до V0 називається

коефіцієнтом зайвини повітря в топці α:

α=

Значення α залежать від виду палива і конструкції топки і коливаються від 1,03 для газового палива, до 1,5 для твердого палива, що спалюється на колосниковій решітці

2.3 Об'єм продуктів згоряння

У топкових обладнаннях сучасних котлоагрегатів середньої і великої потужності досягається практично повне згоряння палива. Тому при розрахунках вважають, що воно згоряє повністю. У цьому випадку продукти згоряння складаються з вуглекислого газу СО2, сірчастого ангідриду SO2, невикористаного у процесі горіння азоту N, зайвинного кисню О і водяної пари НО. Сума Vco + Vso + Vo + V =Vc.г. становить об'єм сухих газів. Повний об'єм газів Vг.= Vc.г. + Vно =. Vco + Vso + Vo + V+ Vно.

Щоб дістати зручні для проектування формули, доцільно ввести поняття теоретичного об'єму продуктів згоряння V, тобто об'єму димових газів, який був би при повному згорянні палива теоретичній кількості повітря. У цьому разі V= Vco + Vso + Vно + V (невикористаного кисню в димових газах нема, а відзначати особливим індексом Vco і Vso, непотрібно, бо Vco і Vso, не залежать від коефіцієнта зайвини повітря).

Об'єм триатомних газів V = Vco + Vso, прийнято позначати VRo.

Із стехіометричного співвідношення (I-10) видно, що при спалюванні 1 моля (12 кг) вуглецю утворюється 1 моль вуглекислого газу. Густина СО дорівнює 1,977 кг/м3, об'єм моля СО (при 0 °С і 760 мм рт. ст.) - 22,26 м3. Тому

V=· =1,86  м на 1 кг палива (16)

Аналогічно, якщо густина SO2 дорівнює 2,927 кг/м3, а об'єм моля SO становить 21,89 м3

V=0,68 м на 1 кг палива       (17)

Отже

V=1,86 кг/м3                        (18)

або, якщо позначити через К суму С + 0,37 S,

V=1,86 кг/м3                    (19)

Теоретичний об'єм азоту V, складається з об'єму азоту, що надійшов з теоретичною кількістю повітря і становить 0,79 V° (об'ємна частка азоту разом з аргоном та іншими інертними газами в повітрі становить 0,79), і об'єму азоту, що виділився з палива, 0,8, де 0,8-питомий об'єм азоту в мз/кг:

V=0,79 V°+ 0,8м/кг                         (20)

Теоретичний об'єм сухих газів

V=       V+V=1,86+0,79 V°+0,8м/кг                (21)

Водяна пара утворюється при спалюванні палива внаслідок горіння водню і випаровування вологи палива. Крім того, в продукти горіння переходить водяна пара, внесена у топку повітрям, яке підводиться до неї.

Теоретична вагова кількість водяної пари в продуктах згоряння становить:

G=+0,013 V° кг/кг

Тут ·(із стехіометричного співвідношення) - кількість води, що утворилася внаслідок горіння водню палива;

W /100 - випарена волога палива, що перейшла в продукти згоряння;

0,013 V0 - водяна пара, внесена з повітрям (середнє значення вологовмісту повітря d, беруть 10 г. на 1 кг сухого повітря, що становить 0,013 кг на 1 м3 сухого повітря). Теоретичний об'єм водяної пари

V=

Водяна пара в продуктах згоряння сильно перегріта, бо її парціальний тиск малий, а температура висока. Припустивши, що водяна пара підлягає законові Авогадро, значення густини виводять, поділяючи молекулярну вагу Н2О на об'єм моля за нормальних умов:

==0б804 кг/м3

Такий розрахунковий спосіб цілком припустимий, хоча водяна пара при 0°С і 760 мм рт. ст. існувати не може, отже,

V==0,111H+0,0124W+0,0161V м/кг (22)

Об'єм сухих газів при α > 1 дорівнює:

Vcµ.г. = Vc.г. +(α -1) V° м3 /кг (23)

де (α-1) V°-кількість зайвинного повітря. Відповідно

Vн2о = V° н2о + 0, 0161 (α -1) V° м3 /кг (24)

Сумарний об'єм газів

Vг = VRO2 +V°N2 + Vн2о + (α - 1) V0 м3 /кг (25)

Об'ємні частки триатомних газів і водяної пари відповідно дорівнюють:

r= і r=,

а парціальний тиск їх

p=p і p=p

де р - загальний тиск продуктів згоряння. Концентрація леткої золи в димових газах

p г/м (26)

де авин - частка золи палива, що виноситься димовими газами. Вага димових газів

G=1─+1,306αV кг/кг (27)

При паровому дутті або паровому розпилюванні рідкого палива (у невеликих установках), визначаючи об'єм і вагу димових газів, треба ураховувати кількість пари (W).

Об'єми повітря і продуктів згоряння при спалюванні газоподібного палива визначають аналогічно, на підставі стехіометричних співвідношень:

V=0, o476 [0,5CO+0,5H+Σ (m+) CH+1,5HS−O] м/ м (28)

V=0,01 [CO+CO+ΣmCH+HS] м/ м; (29)

V=0,79V+0,01N; (30)

V=0,01 [H+ΣCH+HS+0,124d]+0,0161Vм/м. (31)

Тут СО, Н, N і т.д. - компоненти газового палива в об'ємних процентах; d-вологовміст газового палива в грамах на 1 м3 сухого газу.

Об'єми продуктів згоряння при α> 1 визначаються за раніше наведеними формулами.

2.4 Розрахунки, які провадять за даними аналізу продуктів згоряння

Аналіз палива і продуктів його згоряння провадять під час випробування котельних агрегатів.

Застосовують переносний хімічний газоаналізатор, за допомогою якого поглинанням відповідними реактивами (водним розчином їдкого калію і розчином їдкого калію в пірогаловій кислоті) визначають об'ємний процентний вміст RО і О у сухих газах. Цими даними користуються для визначення Vс.г., характеристики палива, визначення СО і α.

Визначення Vс.г - Склад сухих продуктів повного згоряння палива визначають за формулою

Vс.г = V + V +V, (32)

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5